地震作用下高樁碼頭安全性評價

許海波,沈才華

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

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地震作用下高樁碼頭安全性評價

許海波,沈才華

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

摘要：為了研究高樁碼頭在使用過程中遭受地震災害的影響，結合工程實際，基于數值模擬分析技術，采用瞬態動力學時程分析法對地震下高樁碼頭上部結構裂紋擴展情況進行分析。提出基于裂紋擴展深度和裂紋分布范圍兩個指標的高樁碼頭地震災害下上部結構4級安全性評價方法，并通過不同地震等級下裂紋擴展分析進行驗證。結果表明：不同地震等級下采用4級安全評價方法對高樁碼頭進行安全評估是合理可行的?？梢詾椴煌卣鸬燃壪麓a頭的受損進行評估，為提前預測地震災害對碼頭的損傷程度，改進設計提供科學依據。

關鍵詞：高樁碼頭；地震災害；裂紋；安全評價

前言

高樁碼頭是淤泥質海岸及河口地區常見的水工建筑物，使用年限大于15年以上時，破壞情況一般較為嚴重，直接影響了碼頭結構安全。因此迫切需要對這些高樁碼頭結構進行安全評估，以此確定碼頭的損傷程度及維修加固方法，以保證安全生產，促進港口健康發展[1]。

近年來，許多學者采用模型試驗[2]或數值模擬對高樁碼頭進行過檢測評估。史青芬等[3-5]基于模糊評判法，結合碼頭的結構特點建立評估模型，通過層次分析法確定各影響因素的權重。張戈等[6-8]基于可靠度理論，采用失效概率或可靠度指標來衡量結構的安全狀況?，F有規范[9]中針對不同結構形式的港口水工建筑物規定了相應的檢測項目和內容，主要從構件的破損情況、材料老化程度及性能等方面考慮。文章基于數值模擬技術，針對裂紋擴展過程特性，提出采用裂紋擴展深度和裂紋分布范圍兩個指標，建立高樁碼頭地震災害下上部結構安全性評價方法，為提前預測地震災害的損失，改進設計提供科學依據。

1高樁碼頭動力災害數值模擬技術理論

1.1動力學運動方程

結構動力學中建立了有限元系統的運動方程:

(1)

有限元分析中常分為直接積分法和振型疊加法，本文采用瞬態動力學時程分析法。

1.2Rayleigh比例阻尼

結構動力分析中，在計算一般外力作用下結構的動力響應時，阻尼對結構的最大響應起控制作用。

[C]=α[M]+β[K]

(2)

式中，α為質量阻尼系數；中，在計算一般外力作用下結構的動力響應時，阻尼對結構的最大響應起控制作用。

[C]=α[M]+為剛度阻尼系數。

如果根據實驗或者相似結構的資料已知兩個振型的模態阻尼比ξi和ξj，則質量阻尼系數、剛度阻尼系數可由下式求得：

(3)

1.3三維有限元SOLID65單元

SOLID65單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型。該實體模型增加了描述開裂和壓碎的性能。本單元最重要的方面在于其對材料非線性的處理，其可模擬混凝土的開裂(三個正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。文章需考慮表1所表示的C1-C4四個參數。

表1 Solid65混凝土材料數據表

2 工程概況

某碼頭樁臺寬為9 m×7 m，樁排架間距9 m。PHC管樁直徑1.2 m，壁厚0.15 m，內徑0.9 m，截面面積4.95×105 mm2，截面慣性矩6.958×1010mm4，截面模量1.16×108mm3，彈性模量3.5×1010N/m2?？紤]的荷載有板上的附加荷載10 kN/m2，板的自重23 kN/m2。地基土特性為淤泥4 m、砂礫9 m、圓礫5 m。

3 基于裂紋擴展過程的高樁碼頭結構安全性評價方法

3.1 參數選擇與確定

根據工程概況，基于 El Centro7.1級地震選擇材料及參數如表2。

表2 數值模擬參數表

3.2建立模型

地層土采用實際地層，為簡化計算，地層模型兩邊界取樁周圍20倍直徑以上，深度取樁底向下3 m。沿縱向輸入地震波，設置兩側邊為地震波輸入輸出邊界，前后邊界為Y方向受約束邊界、X和Z方向自由。

3.3 裂紋擴展分析

通過圖2俯視圖觀測裂紋擴展情況。

從地震烈度為8.6度的裂紋擴展情況俯視圖2可以看出，裂紋首次開裂時刻為2.04 s，首次開裂程度較嚴重。當達到2.08 s時，裂紋已經擴展到多處梁體，取俯視圖中首次開裂的A區域作放大圖分析。

由A區域的正視圖3中可以看出，裂紋在2.04 s開裂后，裂紋繼續向上擴展。而在左視圖4中可以看出，裂紋在擴展到縱梁體頂部后出現多次張開、閉合、再張開的現象。在2.2 s時梁體底部出現了綠色、藍色圓圈，標志著這一區域存在同一點開裂多次的裂紋。綠色圓圈表示第二次開裂的裂紋，藍色圓圈表示第三次開裂的裂紋，在3.28 s裂紋處于閉合狀態，且開裂至縱梁頂部，底部出現多次開裂現象。

3.4 地震動力災害安全評估方法

根據以上工況地震災害過程中碼頭上部結構從開裂到破碎的過程分析可知，在地震動力災害下可以采用裂紋擴展深度和裂紋分布范圍大小作為安全評估的主要指標，因此提出基于地震災害破損過程分析的4級綜合安全評估方法。

表3 地震荷載下破損程度評估等級表

表4 地震荷載下破損范圍評估等級表

注：破碎面積計算方法：把碼頭上部結構梁與梁中心線劃分成網格狀，只要某個區域有裂紋則就算整個區域有裂紋，即面積按整個區域算。

表5 地震荷載下災害安全性綜合評估等級表

3.5 實例分析

表6 工況列表

(1)CW 1.5工況震害破壞等級評估分析

圖5顯示裂紋只分布在局部區域，沒有出現豎向貫穿梁身的裂紋，破損程度等級可判定為A級；在6個區域出現裂紋，占到6/49，即12%，20%以下梁上出現裂紋，破損范圍評估為2級；綜合安全性等級為2級。

(2)CW 3.0工況震害破壞等級評估分析

圖6顯示裂紋分布區域劇增，多數區域裂紋豎向貫穿梁體，沿梁軸線方向布滿裂紋，個別區域出現嚴重的壓碎情況，破損程度等級可判定為D級；在40個區域均有裂紋，即80%以上，破損范圍評估為超過4級；綜合安全性等級為4級。

4 結論

1)通過不同工況地震荷載下，同一碼頭裂紋開裂程度、分布范圍的動態變化過程顯示，對于碼頭在地震等級烈度為7.8度時屬輕微受損、安全等級2級；地震等級烈度為8.6度時屬嚴重受損、安全等級3級；地震等級烈度為9度時屬特嚴重破壞、安全等級4級，基本需按重建處理；

2)根據地震災害過程中碼頭上部結構的裂紋開裂過程可以對未來可能的某震級下安全性進行評價，評價方法可以根據4級破損程度指標和4級破損面指標建立的4級受損安全綜合評價指標，為施工設計提供參考，為高樁碼頭動力災害結構優化設計提供依據。

3)研究顯示，基于數值模擬分析技術，文章提出的高樁碼頭動力災害數值模擬方法可以有效模擬裂紋開裂后應力狀態的重新分布，因此可以有效真實的預測碼頭可能出現的破壞動態過程；基于該方法提出的4級受損安全綜合評價指標體系是合理可行的?？梢詾椴煌卣鸬燃壪麓a頭的受損進行評估，為設計、后期維護提供參考。

參考文獻：

[1]田雙珠,王笑難,李 穎.港口工程已建碼頭的檢測與評估[J].水道港口,2004,25(4):219-221.

[2]楊樹標,李榮華,劉建平,等.振動臺試驗模型和原型相似關系的理論研究[J].河北工程大學學報：自然科學版,2007,24(1):8-11.

[3]史青芬.高樁碼頭結構安全性評估[D].重慶：重慶交通大學,2010.

[4]程 婷.用模糊層次分析法評估海港梁板式高樁碼頭的安全性[J].水運科技信息,2014，(4):145-147.

[5]王德虎,魯子愛,侯代云.基于模糊層次分析法的高樁碼頭安全性評估[J].水運工程,2013,(1):76-80.

[6]張 戈.高樁碼頭橫向排架可靠性分析[D].長沙：長沙理工大學, 2004.

[7]高樹奇.高樁碼頭整體安全度定量分析與分級方法研究[D].天津：天津大學,2012.

[8]張富玲.高樁碼頭全結構段數值模擬及可靠度分析[D].天津：天津大學,2012.

[9]JTJ302-2006，《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》[S].

(責任編輯李軍)

The safety evaluation of high-piled wharf under earthquake action

XU Hai-bo, SHEN Cai-hua

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing 210098, China)

Abstract：In order to study the piled wharf in the influence of earthquake disasters in use process, combination with the engineering practice, based on the numerical simulation analysis technology, the transient dynamic analysis of earthquake under the course calendar piled wharf upper structure crack propagation conditions is analyzed. Based on crack propagation depth and the distribution of crack two indicators of piled wharf upper structure under seismic disasters 4 level security evaluation method, and validated by the crack propagation analysis under different earthquake magnitude. Results show that under different earthquake magnitude 4 safety assessment methods for safety assessment of piled wharf is feasible. To assess the damage to the wharf under different earthquake magnitude, to predict earthquake disasters in advance to the damage degree of wharf, provide a scientific basis for improving design.

Key words：high-piled wharf; earthquake Disaster; crack; safety evaluation

中圖分類號：U656.1+13

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0047-06

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.011

作者簡介：許海波(1989-)，男，江蘇泰興人，碩士，主要從事高樁碼頭安全穩定性研究。

基金項目：浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2011W03、2015J09)；江蘇省自然科學基金面上項目(BK20141419)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014B04914)

收稿日期：